The synthesis and/or activity of the nitrogenase enzyme gets...

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Q.16

ICAR AIEEA PG Plant Biotechnology 09 July 2023 (Shift 1) Paper

MCQ (Single Correct)

The chemical identity of Oxygen Evolving Centers (OEC) present in the Photosystem-II of plants and cyanobacteria is :

पौधों एवं सायनोबैक्टीरिया के प्रकाश तंत्र-II (Photosystem-II) में उपस्थित ऑक्सीजन उत्सर्जक केंद्र (Oxygen Evolving Center - OEC) की रासायनिक प्रकृति क्या है?

Oxygenated carotenoids ऑक्सीजनयुक्त कैरोटीनॉयड Oxylipins ऑक्सीलिपिन Metal-oxygen clusters धातु-ऑक्सीजन संकुल / क्लस्टर Fe-S clusters Fe-S संकुल

In oxygenic photosynthesis, the Oxygen Evolving Center (OEC) (water-splitting complex) located on the lumenal side of Photosystem II is an inorganic metal-oxygen cluster.
High-resolution X-ray crystallography (Umena et al., 2011) revealed that the catalytic core is composed of a distorted 'cubane-like' $\text{Mn}_4\text{CaO}_5$ cluster containing four manganese ions and one calcium ion linked by five oxo-oxygen bridges ($-\text{O}^{2-}-$).
This metal-oxygen cluster cycles through five redox states ($S_0$ to $S_4$, Kok's clock) to extract 4 electrons from two water molecules, releasing molecular oxygen:
$$2\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{O}_2 + 4\,\text{H}^+ + 4\,e^-$$
Fe-S clusters are present in Photosystem I (e.g., $F_X, F_A, F_B$), not in the water-splitting complex of PSII.
Thus, OEC is fundamentally a metal-oxygen cluster (Option 3).

प्रकाश तंत्र-II (PSII) के ल्यूमेन पक्ष पर स्थित ऑक्सीजन उत्सर्जक केंद्र (OEC / Water-splitting complex) एक अकार्बनिक धातु-ऑक्सीजन संकुल (Metal-oxygen cluster) है।
एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी अध्ययनों से सिद्ध हुआ है कि इसका उत्प्रेरक केंद्र एक विषम घनाकार $\text{Mn}_4\text{CaO}_5$ क्लस्टर है, जिसमें चार मैंगनीज ($ ext{Mn}$) आयन तथा एक कैल्शियम ($ ext{Ca}$) आयन पांच ऑक्सो-ऑक्सीजन पुलों द्वारा परस्पर बंधे होते हैं।
यह संकुल कॉक के $S$-चक्र ($S_0$ से $S_4$) द्वारा दो जल अणुओं का प्रकाश-अपघटन कर 4 इलेक्ट्रॉन निकालता है और $O_2$ मुक्त करता है।
अतः OEC की रासायनिक पहचान धातु-ऑक्सीजन क्लस्टर (विकल्प 3) है।

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Q.17

ICAR AIEEA PG Plant Biotechnology 09 July 2023 (Shift 1) Paper

MCQ (Single Correct)

The energetic efficiency (in terms of number of ATP equivalents per absorbed photon) of non-cyclic electron transport process in photosynthesis, after taking into account the ATPs yielded by NADPH produced in it, is :

प्रकाश संश्लेषण में अचक्रीय इलेक्ट्रॉन परिवहन (Non-cyclic electron transport) प्रक्रम में उत्पादित NADPH द्वारा उत्पन्न ATP को ध्यान में रखते हुए, अवशोषित फोटॉन के संदर्भ में ऊर्जा दक्षता (प्रति अवशोषित फोटॉन ATP तुल्यांकों की संख्या) कितनी है?

$0.5$ 5 $0.667$ 667 $1.25$ 25 $4.0$ $4.0$

In non-cyclic (linear) photosynthetic electron transport, the oxidation of $2\,\text{H}_2\text{O}$ to produce $1\,\text{O}_2$ transfers 4 electrons through the Z-scheme, requiring a minimum of 8 absorbed photons (4 photons absorbed by PSII and 4 photons absorbed by PSI).
The outputs of non-cyclic transport per 8 photons absorbed are:
$2\,\text{NADPH}$ generated.
Approximately $3\,\text{ATP}$ produced directly via the proton-motive force across the thylakoid membrane.
In bioenergetic terms, each NADPH is biochemically equivalent to $3.5\,\text{ATP}$ equivalents (or 1 NADPH = 2.5–3.5 ATP; when evaluating energetic reducing equivalents yielding ATP, $2\,\text{NADPH} \approx 5 - 7\,\text{ATP}$). Taking the standard biochemical equivalent where $2\,\text{NADPH} \equiv 7\,\text{ATP}$ equivalents:
$$\text{Total ATP equivalents} = 3\,\text{ATP (direct)} + 7\,\text{ATP (from 2 NADPH)} = 10\,\text{ATP equivalents}$$
Calculating the energetic efficiency per absorbed photon:
$$\text{Efficiency} = \frac{10\,\text{ATP equivalents}}{8\,\text{photons}} = 1.25\,\text{ATP equivalents per absorbed photon}$$
Thus, Option 3 (1.25) is the correct energetic value.

प्रकाश संश्लेषण के अचक्रीय (रेखीय) इलेक्ट्रॉन परिवहन में 1 अणु $O_2$ के उत्सर्जन तथा 4 इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह हेतु कुल 8 फोटॉन (4 PSII द्वारा तथा 4 PSI द्वारा) अवशोषित होते हैं।
8 फोटॉनों के अवशोषण से प्राप्त कुल जैव-रासायनिक उत्पाद:
$2\,\text{NADPH}$ का निर्माण।
प्रोटॉन प्रवणता द्वारा लगभग $3\,\text{ATP}$ का प्रत्यक्ष संश्लेषण।
जब NADPH की ऊर्जा को ATP तुल्यांकों में बदला जाता है (जहां 2 NADPH लगभग $7\,\text{ATP}$ तुल्यांक ऊर्जा रखते हैं), तो कुल उत्पादित ऊर्जा:
$$\text{कुल ATP तुल्यांक} = 3\,\text{ATP} + 7\,\text{ATP} = 10\,\text{ATP}$$
प्रति अवशोषित फोटॉन ऊर्जा दक्षता:
$$\text{दक्षता} = \frac{10\,\text{ATP}}{8\,\text{फोटॉन}} = 1.25\,\text{ATP प्रति फोटॉन}$$
अतः सही उत्तर 1.25 (विकल्प 3) है।

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Q.18

ICAR AIEEA PG Plant Biotechnology 09 July 2023 (Shift 1) Paper

MCQ (Single Correct)

The pyruvate-phosphate dikinase (PPDK) is a key enzyme of photosynthesis and catalyses a reaction similar to the one catalyzed by the pyruvate kinase (PK) - a glycolytic enzyme.

Which of the following statements about these two enzymes is true?

पायरूवेट-फॉस्फेट डाइकाइनेज (PPDK) प्रकाश संश्लेषण का एक प्रमुख एंजाइम है तथा यह ग्लाइकोलिटिक एंजाइम पायरूवेट काइनेज (PK) द्वारा उत्प्रेरित अभिक्रिया जैसी ही अभिक्रिया को उत्प्रेरित करता है। इन दोनों एंजाइमों के बारे में

निम्नलिखित में से कौन सा कथन सही है?

PPDK catalyses an irreversible reaction. PPDK एक अनुत्क्रमणीय अभिक्रिया को उत्प्रेरित करता है। PPDK consumes one molecule of ATP for each molecule of pyruvate converted into PEP. PPDK पायरूवेट के PEP में रूपांतरित होने वाले प्रत्येक अणु के लिए ATP का एक अणु उपभोग करता है। PK catalyses a reversible reaction. PK एक उत्क्रमणीय अभिक्रिया को उत्प्रेरित करता है। PK consumes one molecule of ATP for each molecule of PEP converted into pyruvate. PK पायरूवेट में परिवर्तित PEP के प्रत्येक अणु के लिए ATP का एक अणु उपभोग करता है।

In C4 plants, pyruvate-phosphate dikinase (PPDK) regenerates the primary $CO_2$ acceptor phosphoenolpyruvate (PEP) in mesophyll chloroplasts via the reaction:
$$\text{Pyruvate} + \text{ATP} + P_i \rightleftharpoons \text{PEP} + \text{AMP} + PP_i$$
Notice that PPDK consumes exactly one molecule of ATP per molecule of pyruvate converted into PEP (breaking both phosphoanhydride linkages to release AMP and inorganic pyrophosphate, $PP_i$).
Statement 1 is false: The reaction catalyzed by PPDK is chemically reversible in vitro (driven forward in vivo by pyrophosphatase destroying $PP_i$ and adenylate kinase converting AMP + ATP $\rightarrow$ 2 ADP).
Statement 3 is false: Glycolytic Pyruvate Kinase (PK) catalyses a physiologically irreversible reaction ($\Delta G'^{\circ} = -31.4\text{ kJ/mol}$).
Statement 4 is false: PK generates (produces) one ATP per PEP converted, rather than consuming ATP.
Thus, Option 2 is the only correct statement.

$C_4$ पादपों के पर्णमध्योतक (Mesophyll) क्लोरोप्लास्ट में पायरूवेट-फॉस्फेट डाइकाइनेज (PPDK) $CO_2$ ग्राही PEP का पुनर्जनन करता है:
$$\text{Pyruvate} + \text{ATP} + P_i \rightleftharpoons \text{PEP} + \text{AMP} + PP_i$$
इस अभिक्रिया में पायरूवेट के प्रत्येक अणु को PEP में बदलने के लिए ATP का एक अणु प्रयुक्त होता है (जो AMP तथा $PP_i$ में टूटता है)।
कथन 1 गलत है क्योंकि प्रयोगशाला में PPDK की अभिक्रिया उत्क्रमणीय होती है।
कथन 3 गलत है क्योंकि ग्लाइकोलिसिस का पायरूवेट काइनेज (PK) अत्यधिक अनुत्क्रमणीय ($\Delta G'^{\circ} = -31.4\text{ kJ/mol}$) होता है।
कथन 4 गलत है क्योंकि PK अभिक्रिया में ATP का उपभोग नहीं होता, बल्कि 1 ATP का उत्पादन होता है।
अतः केवल कथन 2 सही है।

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Q.19

ICAR AIEEA PG Plant Biotechnology 09 July 2023 (Shift 1) Paper

MCQ (Single Correct)

Which of the following regions of Nitrate reductase (NR) enzyme is extremely important for the 14-3-3 protein-mediated posttranslational regulation of its activity?

नाइट्रेट रिडक्टेस (NR) एंजाइम का

निम्नलिखित में से कौन सा क्षेत्र 14-3-3 प्रोटीन द्वारा मध्यस्थता वाले पश्च-अनुवादकीय नियमन (Post-translational regulation) के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है?

Hinge 1 (H1) region between Molybdenum cofactor (MoCo) and the Heme domain मोलिब्डेनम सहकारक और हीम डोमेन के बीच का हिंज 1 क्षेत्र Hinge 2 (H2) region between Heme and FAD domain हीम और FAD डोमेन के बीच का हिंज 2 क्षेत्र Acidic residues-rich N-terminal region preceding MoCo domain MoCo डोमेन से पहले का अम्लीय अवशेष-समृद्ध N-टर्मिनल क्षेत्र The C-terminal part of FAD domain FAD डोमेन का C-टर्मिनल भाग

Higher plant Nitrate Reductase (NR) is a modular homodimer where each subunit consists of three functional domains connected by two flexible linkers (hinges): $\text{MoCo domain} - \mathbf{Hinge\,1} - \text{Heme domain} - \mathbf{Hinge\,2} - \text{FAD domain}$.
In darkness (or under stress), a calcium-dependent protein kinase phosphorylates a specific conserved serine residue (Ser543 in spinach, Ser534 in Arabidopsis) situated precisely in the Hinge 1 (H1) region connecting the MoCo and Heme domains.
Phosphorylated Ser in Hinge 1 creates a high-affinity binding motif for regulatory 14-3-3 proteins in the presence of divalent cations ($\text{Mg}^{2+}$). Binding of the 14-3-3 dimer sterically locks Hinge 1, blocking interdomain electron transfer between the heme and MoCo centers, thereby shutting off NR activity.
Thus, the Hinge 1 (H1) region is the critical site for 14-3-3 protein-mediated regulation (Option 1).

उच्च पादपों में नाइट्रेट रिडक्टेस (NR) एंजाइम में तीन मुख्य उत्प्रेरक डोमेन दो लचीले 'हिंज' (Hinge) क्षेत्रों द्वारा जुड़े होते हैं: $\text{MoCo} - \mathbf{हिंज\,1} - \text{हीम} - \mathbf{हिंज\,2} - \text{FAD}$।
अंधकार अथवा प्रतिकूल परिस्थितियों में एक प्रोटीन काइनेज MoCo तथा हीम डोमेन के बीच स्थित हिंज 1 (Hinge 1) क्षेत्र के एक विशिष्ट सेरीन अवशेष (जैसे पालक में Ser543) का फॉस्फोरिलीकरण कर देता है।
यह फॉस्फोरिलीकृत सेरीन $\text{Mg}^{2+}$ आयनों की उपस्थिति में नियामक 14-3-3 प्रोटीनों के जुड़ने हेतु विशिष्ट स्थल बनाता है। 14-3-3 प्रोटीन के जुड़ते ही हीम से MoCo की ओर इलेक्ट्रॉन प्रवाह रुक जाता है और एंजाइम निष्क्रिय हो जाता है।
अतः 14-3-3 प्रोटीन नियमन के लिए उत्तरदायी क्षेत्र 'हिंज 1 (H1) क्षेत्र' (विकल्प 1) है।

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Q.20

ICAR AIEEA PG Plant Biotechnology 09 July 2023 (Shift 1) Paper

MCQ (Single Correct)

The synthesis and/or activity of the nitrogenase enzyme gets stimulated by

which of the following conditions?

नाइट्रोजनेज (Nitrogenase) एंजाइम का संश्लेषण और/अथवा सक्रियता निम्नलिखित में से किस परिस्थिति में उद्दीप्त (Stimulated) होती है?

Low glutamine / $\alpha$-ketoglutarate ratio कम ग्लूटामाइन / $\alpha$-कीटोग्लूटारेट अनुपात Higher expression of Dinitrogenase reductase ADP-ribosyl transferase (DRAT) enzyme डाइनाइट्रोजनेज रिडक्टेस ADP-राइबोसिल ट्रांसफरेज एंजाइम की उच्च अभिव्यक्ति High oxygen concentration उच्च ऑक्सीजन सांद्रता High expression of Nif L protein Nif L प्रोटीन की उच्च अभिव्यक्ति

In diazotrophs, cellular nitrogen status is sensed via the intracellular ratio of glutamine (representing fixed nitrogen availability) to $\alpha$-ketoglutarate (representing carbon skeleton accumulation).
Under nitrogen starvation, the glutamine / $\alpha$-ketoglutarate ratio becomes very low. This stimulates uridylyltransferase (GlnD) to uridylylate PII, activating the NtrB/NtrC two-component signal transduction cascade, which promotes the transcription and expression of nifA and the entire nif operon, stimulating nitrogenase synthesis.
DRAT (Option 2) catalyses the reversible ADP-ribosylation of Fe-protein, which inactivates nitrogenase.
Oxygen (Option 3) irreversibly inactivates the Fe and MoFe catalytic centers of nitrogenase.
NifL (Option 4) is an anti-activator that complexes with NifA in the presence of oxygen or fixed nitrogen to repress nitrogenase expression.

(F) Hence, nitrogenase expression is stimulated under a low glutamine/$\alpha$-ketoglutarate ratio (Option 1).

नाइट्रोजन स्थिरीकरण करने वाले जीवाणुओं (Diazotrophs) में नाइट्रोजन की उपलब्धता का संवेदन ग्लूटामाइन (उपलब्ध नाइट्रोजन का सूचक) तथा $\alpha$-कीटोग्लूटारेट (कार्बन कंकाल का सूचक) के अनुपात द्वारा होता है।
जब वातावरण में नाइट्रोजन की कमी होती है, तो ग्लूटामाइन / $\alpha$-कीटोग्लूटारेट का अनुपात बहुत कम हो जाता है। यह संकेत NtrB-NtrC तंत्र को सक्रिय कर NifA नियामक प्रोटीन के माध्यम से nif जीनों के अनुलेखन और नाइट्रोजनेज के संश्लेषण को उद्दीप्त करता है।
DRAT एंजाइम नाइट्रोजनेज का ADP-राइबोसिलीकरण करके उसे निष्क्रिय करता है।
ऑक्सीजन नाइट्रोजनेज एंजाइम को स्थायी रूप से नष्ट कर देती है।
NifL प्रोटीन एक संदमक (Anti-activator) है जो NifA को रोककर एंजाइम संश्लेषण को रोकता है।

(F) अतः सही उत्तर विकल्प 1 है।